PT107101A - Painéis flexíveis de aerogel hidrofóbico reforçado com feltro de fibras - Google Patents

Abstract

NESTA INVENÇÃO É DESCRITO UM MÉTODO PARA PRODUZIR PEÇAS DE AEROGEL DE GRANDES DIMENSÕES. PARA ISSO ADICIONA-SE UM FELTRO DE FIBRAS DE SÍLICA A AEROGÉIS PREPARADOS A PARTIR DE TRIALCOXISILANOS (METILTRIMETOXISILANO E METILTRIETOXISILANO). AS PROPRIEDADES CARACTERÍSTICAS DOS AEROGÉIS PRODUZIDOS COM ESTES TRIALCOXISILANOS, NOMEADAMENTE FLEXIBILIDADE, BAIXA DENSIDADE, BAIXA CONDUTIVIDADE TÉRMICA E HIDROFOBICIDADE, BEM COMO A APLICABILIDADE DOS MESMOS DESDE TEMPERATURAS CRIOGÉNICAS ATÉ PELO MENOS 350ºC, SÃO MANTIDAS NO AEROGEL COMPÓSITO FINAL. O FELTRO É USADO PARA CONFERIR RESISTÊNCIA MECÂNICA AO AEROGEL, PERMITINDO O FABRICO DESTE MATERIAL COM MAIORES DIMENSÕES, O QUE TEM SIDO UMA LIMITAÇÃO IMPORTANTE PARA A APLICAÇÃO DESTES MATERIAIS. AS APLICAÇÕES DO MATERIAL DESCRITO NESTA INVENÇÃO INCLUEM ISOLAMENTO TÉRMICO PARA OS SECTORES DE CONSTRUÇÃO, GÁS E PETRÓLEO, CRIOGENIA, TERMOELÉCTRICO, AERONÁUTICO E ESPACIAL. NO ENTANTO, DEVIDO À ELEVADA ÁREA DE SUPERFÍCIE ESPECÍFICA, ESTE MATERIAL APRESENTA AINDA POTENCIAIS APLICAÇÕES NOS SECTORES FARMACÊUTICO E DE TRATAMENTO DE EFLUENTES.

Description

Descrição

Painéis Flexíveis de Aerogel Hidrofóbico Reforçado com Feltro de Fibras

Domínio Técnico da Invenção

Os aerogéis oferecem propriedades físicas únicas para o isolamento térmico e acústico devido à sua condutividade térmica muito baixa e porosidade elevada. Aerogéis são geralmente utilizados para limitar transferência de calor por condução e convecção. Outras propriedades, como por exemplo hidrofobicidade, ajudam a estender as aplicações deste tipo de materiais. Conceptualmente, os aerogéis podem ser utilizados em inúmeras aplicações que envolvam aquecimento e refrigeração, nomeadamente em edifícios, equipamento industrial, satélites, lançadores e gasodutos. No entanto, características como tamanho e flexibilidade ou custos de produção têm limitado a utilização de aerogéis, tornando a preparação de monólitos um desafio técnico considerável para a sua produção em larga escala. Inúmeras tentativas têm sido feitas para melhorar o desempenho e maturidade do processo de fabricação. Esta patente está relacionada com um processo de produção de painéis de aerogel compósito baseados em sílica e contendo também fibras na forma de feltros. A invenção apresenta um método para produzir painéis flexíveis de aerogel que podem ser usados em isolamento térmico nos sectores de construção, gás e petróleo, criogenia, termoeléctrico, aeronáutico e espacial. Outras aplicações deste tipo de painéis de aerogel compósito incluem adsorção controlada de aerossóis, separação de espécies hidrofóbicas e hidrofílicas, bem como adição de catalisadores para promover funções especificas na área da química. Elevada área de superfície específica do aerogel torna o material atractivo para aplicações de catálise, remoção de poluentes orgânicos da água, libertação controlada de espécies activas, assim como na filtração e percolação de líquidos em meios porosos. A Técnica Anterior

Aerogel é um material sintético poroso ultraleve derivado de um gel, no qual a componente líquida do gel é substituída por um gás, resultando um sólido com densidade e condutividade térmica extremamente baixas. Os primeiros aerogéis foram sintetizados a partir de gel de sílica e forneceram propriedades únicas de isolamento térmico e acústico. Numa primeira fase, os aerogéis eram produzidos em forma granular e o seu desenvolvimento foi lento por causa do tempo e mão-de-obra necessários para completar o processo, para além de outras dificuldades técnicas. A tecnologia de produção de aerogel tem vindo a ser consolidada nas últimas décadas, sendo reflectida no número crescente de patentes e importância e diversificação de aplicações. 0 aerogel de sílica, uma substância derivada de gel de sílica, é o tipo mais comum de aerogel e aquele mais estudado e aplicado de forma sistemática. No entanto, outros materiais têm sido utilizados no desenvolvimento de aerogéis com propriedades específicas, nomeadamente carbono, alumina, titânia, zircónia, resorcinol-formaldeído e calcogenetos. A presente patente está relacionada com um processo e método de produção de aerogéis baseados em sílica. Vários métodos de síntese de aerogel têm sido investigados. Aerogéis são materiais sol-gel que são secos de forma a evitar o colapso dos poros, criando uma nanoestrutura sólida intacta com porosidade superior a 90%. A porosidade elevada dá origem a algumas propriedades físicas pouco habituais. Por exemplo, aerogéis de sílica podem ser feitos com baixa condutividade térmica ( — 20 mW m_1 Kf1) , área de superfície elevada (-1000 m2 g~2) e baixa densidade (-50 kg ΐΐτ3) . Várias propriedades do aerogel, nomeadamente guímicas (composição, reactividade, hidrofobicidade), térmicas (condutividade, capacidade calorífica, inflamabilidade), estruturais (módulo de Young, resistência à tracção, tensão de limite elástico), ópticas (luminescência, transparência), acústicas (velocidade do som, absorção) e eléctricas (condutividade, polarização, susceptibilidade magnética), são por vezes únicas na área de materiais sintéticos. Aerogéis de sílica podem ser preparados segundo processos distintos, compreendendo habitualmente guatro etapas: (i) gelificação, (ii) envelhecimento, (iii) lavagem, e (iv) secagem. A primeira fase envolve gelificação, ou seja a condensação de um ou mais precursores de silício para formar uma matriz à base de sílica por guímica sol-gel. Os poros da matriz são preenchidos com subprodutos de reacção e com solvente. Define-se então gelificação como o processo correspondente à transformação de uma suspensão polimérica ou coloidal num sólido permeado por um líguido, através da formação contínua de uma rede sólida tridimensional porosa, a qual é uniforme por todo o solvente e sem formação de gualguer precipitado. Na segunda fase procede-se ao envelhecimento da estrutura multifase do gel. Envelhecimento é o processo no gual o material é mantido durante um tempo definido em condições ambientais controladas, variando as suas características lentamente. No caso de géis, o envelhecimento é um período de cura onde a estrutura é imersa numa mistura líguida, continuando a ocorrer reacções de condensação por forma a se obter uma estrutura sólida mais forte. A terceira fase inclui a lavagem do gel que é uma etapa opcional. Esta etapa pode servir para remoção de sais da estrutura ou outros componentes usados na reacção e também, em muito casos, para trocar o solvente existente no interior da rede sólida por um outro que facilite a etapa seguinte, a secagem. A última fase, a secagem, envolve a extracção do solvente sem causar o colapso da estrutura, deixando intacta a nanoestrutura de silica. A secagem pode ser efectuada por congelação, à pressão ambiente (secagem evaporativa) ou recorrendo a fluidos supercriticos. A presente invenção descreve essencialmente um processo sol-gel, partindo do precursor metiltrimetoxisilano (MTMS) para sintetizar um gel de silica e preparar monólitos flexíveis de aerogel de grande dimensão e características superiores para isolamento térmico. 0 aerogel produzido é reforçado através da incorporação de um feltro de fibras.

Aerogéis têm sido utilizados numa gama alargada de tecnologias, desde aplicações terrestres até espaciais, para preservar frio ou calor, resolver problemas de humidade, fabricar cosméticos, etc. São conhecidas centenas de patentes e modelos de utilidade sobre métodos, processos e aplicações de aerogéis. Soluções envolvendo aerogel têm sido usadas para protecção contra fogo e como retardante de chamas (e.g., CN101357852, CN102531536 e CN102634351), bem como em arte e decoração (GB932211) . Embora a maioria das patentes mencione ingredientes artificiais na produção de aerogéis, foi proposto um método para preparação de um aerogel de S1O2 reforçado tendo como matéria-prima fibras de cinza de casca de arroz (W02013010371) . Compósitos envolvendo substâncias em pó, como por exemplo manganês, titânia ou poliuretano com alumina, têm sido propostos (CN101281821, CN1749214, GB1345944, GB761808, GB788151 e GB955275) . Transparência e outras propriedades ópticas de aerogéis foram utilizadas para optimizar propagação de sinais em fibra óptica, nomeadamente em dispositivos de iluminação (e.g., JPH11314940 e JP2000182420) . Uma grande variedade de fibras naturais e sintéticas têm sido adicionadas para melhorar as propriedades mecânicas e para desenvolver tecnologias especificas (e.g., CN202597930 e KR20100083543) . 0 aerogel foi também utilizado no revestimento de filamentos, nomeadamente elastómeros (GB1159063 e GB1345944), bem como proposto para aplicações de encapsulamento (e.g., transformadores), fundição (e.g., motores) e isolamento multicamada (GB821822, GB980109 e WO2011119745). No entanto, o isolamento térmico e acústico constituem as aplicações mais habituais destes materiais (e.g., CN101698584, DE102009033367, KR100864784, KR20110082379, US5973015 e US6087407). Aerogéis foram já utilizados no campo da electrónica e electromecânica, nomeadamente peças para motores (GB1247673 e GB1433478) e revestimento de motores (EP0041203). Aplicações electromecânicas (e.g., para fontes de alimentação) também têm sido desenvolvidas (EP0814520, EP0875950, US5948464 e US6148503). De facto, as aplicações podem ser muito variadas e estes materiais foram mesmo desenvolvidos para nichos especiais, nomeadamente metamateriais (CN102531519), ligas com memória de forma (US20100144962 e W02008057297) e endoscópios (JP2000107121). Devido a propriedades hidrofóbicas únicas de alguns aerogéis, várias tecnologias para controlo de humidade e monitorização ambiental têm sido reveladas (e.g., US4871607). A procura de materiais funcionais avançados com propriedades térmicas e estruturais melhoradas está em crescimento. Aerogéis estão inquestionavelmente entre os materiais mais apropriados para isolamento térmico devido à sua baixa condutividade térmica. No que respeita a propriedades estruturais, as soluções com aerogel são substancialmente menos eficientes. Por esta razão, as propriedades estruturais de alguma forma restringem a aplicabilidade de aerogéis para soluções de isolamento térmico.

Existem muitas patentes e modelos de utilidade descrevendo métodos, processos e tecnologias para produzir e aplicar aerogel. As patentes que, de alguma forma, estão relacionadas com a presente invenção são: CN101698584, CN17 4 9214, JPH0834678, KR100831877, KR20100053350, KR20100083543, KR20100092683, KR20110082379, US5973015 e US6087407. A patente KR20100053350 divulga um método para fabricar mantas de aerogel. 0 propósito da invenção é a fabricação de mantas de aerogel que ofereçam melhor isolamento térmico. 0 processo utiliza tetraetilortosilicato (TEOS) como precursor e fibras para melhorar a elasticidade a grande escala. A patente KR20100083543 discute um método de fabricação de mantas isolantes de aerogel de silica para altas temperaturas, incluindo um preenchimento em fibra de vidro. Este método inclui o esmagamento de feltro de determinadas fibras (e.g., vidro ou carbono), administração de adesivo orgânico de tipo não solvente, e subsequentemente adsorção de um pó de aerogel de sílica pela fina camada de fibra. Um material isolante, laminado e multicamada pode ser então obtido. A patente KR100831877 apresenta um método para a preparação de um monólito de aerogel de sílica, o qual é obtido por secagem à pressão normal a partir de hidrólise da mistura de um precursor de silício organicamente modificado, metanol e ácido oxálico. A mistura pode conter um ou mais silanos e inclui preferencialmente MTMS (C4H12O3SÍ) . Este método para a preparação de monólitos de aerogel de sílica resulta também sem adição de quaisquer fibras. 0 material produzido é suave e flexível, mas também quebradiço. A patente KR20100092683 discute um método para fabricação de aerogel flexível de sílica. 0 material é fabricado segundo o processo de secagem com dióxido de carbono num estado supercrítico. A mistura de soluções à base dos silanos TEOS ou metiltrietoxisilano (MTES) é utilizada para produzir pequenas placas flexíveis de aerogel. Não são incluídas fibras e o material é quebradiço. A patente KR20110082379 revela um método para preparação de materiais com elevado grau de isolamento térmico à base de aerogéis impregnados com fibras. Misturas de gel de sílica contendo alcoxisilano e álcool isopropílico são hidrolizadas pela adição de soluções aquosas ácidas. A reacção de polimerização da solução de TEOS é favorecida pela adição de pequenas quantidades de uma solução básica. A solução de sílica é impregnada nas fibras para produzir aerogéis flexíveis. A patente JPH0834678 apresenta um aerogel translúcido. Para obter um material com resistência superior e simultaneamente preservar a capacidade de isolamento térmico, o esqueleto de sílica é reforçado com fibras. Um tecido bem estruturado e multicamada é empregue para garantir propriedades translúcidas. A rigidez do material obtido é significativa. As patentes US6087407 e US5973015 discutem um processo de fabricação de compósitos flexíveis de aerogel para melhorar a estabilidade mecânica. A invenção está relacionada com um processo de produção de aerogéis flexíveis à base de condensados poliméricos orgânicos, mecanicamente estáveis, e contendo compósitos de formaldeído que são misturados com fibras de vidro, carbono, plástico ou aramida. A patente CN1749214 mostra um método para preparar um aerogel compósito para isolamento térmico. 0 processo envolve a mistura de óxidos de silício e titânio com fibras e secagem supercrítica. A invenção requer utilização de TEOS, etanol, água desionizada e amoníaco com fracções molares bem definidas, bem como um processo de impregnação em vácuo. Um material flexível e nanoporoso de sílica é obtido; a condutividade térmica é notavelmente baixa (15 mW m_1 Kh1) , mas a densidade é invulgarmente elevada para aerogel (130 kg m~3) . A patente CN101698584 descreve um método para preparação de aerogel de óxido de silício que utiliza uma estrutura de feltro com o propósito de reforço mecânico. O método compreende o enrolamento, preparação da solução de silica, impregnação do feltro, envelhecimento, tratamento de superfície, e secagem em condições supercríticas. O reforço de fibras contínuas pode ser selecionado de entre as seguintes fibras: vidro, silicato de alumínio, carbono e basalto; feltros orgânicos podem ser também escolhidos. O alcóxido de silício preferido utilizado no processo é o TEOS. O solvente recomendado é etanol ou uma mistura de etanol e isopropanol. De acordo com este método, podem produzir-se mantas grandes enroláveis (e.g. 1x10 m) . O tratamento superficial consiste em usar trimetilclorosilano (TMCS) numa solução com 50% de etanol durante 32 h depois do envelhecimento à temperatura ambiente durante 24 h. A patente requerida com a designação US2012/046469 e o documento associado W02013/009984A2 discutem um método para a produção de géis porosos a partir de uma solução silano e um catalisador. Uma secagem não supercrítica do gel fornece um material poroso sem recuperação elástica. O método é aplicado a silanos com ligações alquilo, sendo especificamente reivindicada a utilização de MTMS. Massa de enchimento com fibras (e.g. quartzo ou zircónia) ou pó é utilizada para melhorar as propriedades do aerogel. No entanto, esse método não reivindica a utilização de feltros. A diferença entre fibras e feltros é relevante. Feltro é um tecido não urdido produzido por entrançamento, condensação e compressão de fibras. A macro e micro estrutura de feltros é, respectivamente, homogénea e irregular. Aerogéis produzidos pelo método descrito nesse documento encolhem aproximadamente 5%, sendo somente descritas pequenas amostras cilíndricas. Flexibilidade, libertação de partículas e propriedades estruturais tal como módulo de Young não são discutidas. Ainda assim, os documentos CN101698584 e W02013/009984A2 apresentam as maiores semelhanças ao método proposto na presente invenção. 0 aumento do tamanho de monólitos de aerogel apresenta problemas técnicos sérios, o que limita a produção em massa de aerogéis. Presentemente, as maiores preocupações no que respeita à produção de aerogéis de sílica incluem elevada fragilidade, encolhimento e deformação durante a secagem, flexibilidade limitada, tamanho pequeno, libertação considerável de partículas, complexo processo de fabrico e custos de produção demasiado elevados, factores que afectam a competitividade de soluções que incluam aerogel. Numerosas tentativas têm sido feitas para melhorar a maturidade e mais valia do processo de fabrico. Até certo ponto, fibras (e.g. fibra de vidro) têm sido introduzidas nos materiais compósitos para reforçar as propriedades mecânicas do aerogel. Numa tentativa de minimizar os problemas supracitados, vários tipos de fibras contínuas e descontínuas, feltros e tecidos têm sido utilizados para debelar tais contrariedades. Embora a maior parte das invenções sejam dedicadas a propor soluções individuais de um destes problemas, não existe qualquer patente que analise as questões técnicas de forma integrada. A presente invenção discute estes problemas conjuntamente e apresenta um método que permite a produção em grande escala.

Descrição das Figuras

Os aspectos relevantes e as vantagens esperadas da presente invenção são descritas abreviadamente para acompanhar a descrição detalhada. É igualmente incluída uma tabela com propriedades físicas relevantes do aerogel compósito. Para facilitar a compreensão do método proposto, são incluídas as seguintes figuras: A Figura 1 ilustra o processo de produção de aerogéis compósitos, sendo a solução sol (1) vertida do recipiente (2) para um tabuleiro (3) que contém uma matriz de feltro (4) . A Figura 2 mostra uma imagem obtida por microscopia electrónica de varrimento, onde se observa o aerogel impregnado com as fibras do feltro. A Figura 3 apresenta o gráfico de análise termogravimétrica e calorimetria diferencial de varrimento, onde as curvas de perda de massa (TG, traço contínuo) e fluxo de calor (DSC, traço interrompido) são traçadas em função da temperatura. A Figura 4 mostra as curvas de tensão vs. deformação do aerogel compósito antes e após imersão em azoto líquido. A Tabela 1 apresenta propriedades físicas do aerogel compósito descrito nesta invenção.

Descrição Sumária da Invenção

Os aerogéis à base de sílica apresentam propriedades muito aliciantes para várias aplicações. Contudo, a aplicabilidade destes materiais encontrava-se limitada pela dificuldade de produção dos mesmos em maiores dimensões. Esta dificuldade deve-se essencialmente à fragilidade destes materiais e um dos métodos para melhorar a sua resistência mecânica é a adição de fibras. Na presente invenção usa-se um feltro à base de fibras de sílica para melhorar as propriedades mecânicas de aerogéis preparados a partir de metiltrimetoxisilano (MTMS) e metiltrietoxisilano (MTES). Este feltro, flexível e de muito baixa densidade, possui as fibras organizadas de forma homogénea, permitindo uma distribuição homogénea das fibras no material compósito final. Adicionalmente, este feltro possui elevada resistência térmica e mecânica.

Os aerogéis preparados usando os precursores MTMS e MTES apresentam propriedades muito interessantes, como por exemplo elevada flexibilidade, muito baixa densidade e condutividade térmica, e são também hidrofóbicos. No entanto, a sua produção em maiores dimensões não era possível sem recurso a um componente adicional que permitisse melhorar a resistência mecânica dos mesmos. Deste modo, nesta invenção usa-se um feltro de fibras de sílica e uma solução 'sol' preparada por reacções de hidrólise e condensação dos precursores referidos acima. 0 processo de síntese do material compósito final é bastante simples. Numa primeira etapa é preparada a solução 'sol' onde se usa um precursor de sílica, soluções aquosas de catalisadores ácido e básico e um solvente orgânico. Posteriormente esta solução 'sol' é adicionada num tabuleiro contendo o feltro que é cortado nas dimensões correspondentes ao volume interno do tabuleiro. Passadas algumas horas é obtido um gel. Este gel é mantido durante um dia ou mais nas mesmas condições de pressão e temperatura para se fortalecer a sua estrutura sólida e, finalmente, o gel é seco numa estufa à pressão ambiente, sendo submetido a várias temperaturas entre 60 e 2002C. O aerogel compósito final possui o volume interno do tabuleiro onde é preparado e pode ter várias dimensões dependendo apenas do tamanho do tabuleiro e da estufa onde é efectuada a secagem. A espessura do aerogel compósito pode variar entre 1 e 4 cm. Uma vez que a espessura do feltro de fibras varia entre 5 e 15 mm, para aumentar a espessura do material compósito final são colocadas várias camadas de feltro sobrepostas umas sobre as outras. Neste caso, as várias camadas do feltro são cosidas para evitar que as várias camadas do feltro se separem no aerogel compósito final. Para o cosimento das várias camadas de feltro usa-se uma linha com elevada resistência térmica. Desta invenção resultam painéis flexíveis de aerogel com baixa densidade e condutividade térmica, hidrofóbicos e com uma temperatura de operação desde temperaturas criogénicas até pelo menos 3502C. Na descrição detalhada sumarizam-se algumas das propriedades do material resultante da invenção, bem como uma descrição pormenorizada do processo de fabrico do aerogel compósito.

Descrição Pormenorizada da Invenção

Propriedades únicas de aerogéis como baixa densidade, baixa condutividade térmica e resistência a temperaturas extremas conferem-lhe adequabilidade para inúmeras aplicações, maioritariamente como isolante térmico em edifícios, dispositivos aeroespaciais, fluidos criogénicos ou outras. No entanto, a sua aplicabilidade encontrava-se limitada pela dificuldade de preparar estes materiais em maiores dimensões sem deteriorar algumas das suas melhores propriedades. A presente invenção permite ultrapassar as limitações da aplicabilidade destes materiais, uma vez que descreve uma forma de preparar aerogéis em grandes dimensões mantendo as suas características físicas mais relevantes. Para isso recorre-se ao processo de síntese de aerogéis usando o precursor MTMS que permite obter propriedades muito interessantes como flexibilidade, hidrofobicidade e aplicabilidade numa larga gama de temperaturas, desde temperaturas criogénicas até pelo menos 3502C. Este processo de síntese encontra-se descrito em algumas patentes e literatura científica (KR100831877; Rao et al., 'Synthesis of silica aerogels using methyltrimethoxysilane (MTMS) precursor', J. Colloid.

Interface. Sci. 300, 219-285, 2006; Durães et al., 'Tailored silica based xerogels and aerogels for insulation in space environments', Adv. Sci. Technol. 63, 41-4 6, 2010) . No entanto, o material resultante é bastante frágil e o aumento do tempo de envelhecimento não é suficiente para fortalecer a estrutura sólida e permitir preparar amostras de grande dimensão. De modo a superar esta limitação associada a fragilidade dos aerogéis preparados com o precursor metiltrimetoxisilano, na presente invenção é adicionado um feltro de fibras de silica (Figura 1). Este feltro possui muito baixa massa volúmica (< 20 kg m~3) e as fibras encontram-se organizadas de forma homogénea a uma escala macroscópica. Esta distribuição homogénea das fibras no feltro utilizado permite garantir também uma distribuição homogénea das fibras no material final. Uma vez que o feltro possui elevada resistência mecânica e térmica, pela adição deste feltro conseguiu-se manter as propriedades de baixa densidade, flexibilidade e hidrofobicidade, e melhorar a resistência mecânica dos aerogéis preparados a partir de trialcoxisilanos. Além disso, a adição deste feltro torna possível a preparação de materiais altamente flexíveis e com grandes dimensões. Genericamente, o processo de síntese dos aerogéis de sílica divide-se em três etapas principais: (A) preparação do gel por reacções de hidrólise e condensação de um precursor, (B) envelhecimento, continuando a ocorrer condensação, e finalmente (C) a secagem. Na etapa (A) é necessário um precursor, um solvente e soluções aquosas de catalisadores ácido e básico. Como precursores podem utilizar-se metiltrimetoxisilano e metiltrietoxisilano. Soluções aquosas de ácido oxálico e hidróxido de amónia são usadas como catalisadores ácido e básico, respectivamente. A concentração de catalisador ácido pode variar entre 0,001 e 0,1 Me a concentração de catalisador básico deverá ser superior a 5 M. Relativamente ao solvente, pode usar-se um ou vários solventes orgânicos, nomeadamente metanol e etanol. A razão molar solvente/precursor varia entre 15 e 40. Poderá ainda adicionar-se até 10% de um tetraalquilo ortosilicato como co-precursor. A solução sol que se obtém juntando o precursor, os catalisadores e o solvente é adicionada num recipiente contendo o feltro. O feltro é cortado de acordo com a forma do material compósito que se pretende obter no final. A espessura do feltro varia entre 5 mm e 15 mm e podem adicionar-se várias camadas de feltro para aumentar a espessura final. No caso de ser necessário usar várias camadas de feltro este deverá ser cosido com kevlar, fibra de vidro, ou outra linha de elevada resistência mecânica e térmica. Esta cosedura evita que as várias camadas se separarem no material final. Posteriormente, o gel toma a forma do recipiente onde a solução sol foi adicionada. Podem preparar-se amostras com a dimensão desejada para várias aplicações, nomeadamente desde 250x250 mm com espessura desde 1 a 4 cm. A percentagem mássica do feltro em relação à massa do aerogel compósito final é sempre inferior a 15%. A dimensão do material final é apenas limitada pelas dimensões da forma usada no processo de produção. Durante a etapa (A) a solução é mantida num ambiente a temperatura controlada entre 25 e 302C. Depois de obtido o gel este é mantido entre 1 a 4 dias nas mesmas condições de temperatura por forma a fortalecer a rede sólida (etapa (B) ) . Finalmente, os géis são colocados numa estufa para a secagem à pressão ambiente, sendo submetidos a vários ciclos de temperatura entre 60 e 2002C, podendo perfazer um total de 2 a 9 dias, dependendo da espessura do gel a ser seco (etapa (C)). Para obter um aerogel com espessura reduzida ( — 10 mm) o tempo total de secagem é significativamente inferior ao tempo necessário para a secagem de um aerogel com 4 cm de espessura.

Usando precursores como o MTMS e MTES existe muito baixa afinidade química entre a rede sólida e o solvente retido no seu interior. Esta reduzida afinidade entre os componentes que constituem o gel evita o colapso da rede sólida durante a secagem à pressão ambiente. Assim, é possível a produção de materiais secos à pressão ambiente com propriedades muito semelhantes aos resultantes com o recurso a secagem por fluidos supercríticos. A secagem por fluidos supercríticos apresenta algumas desvantagens por comparação com a secagem evaporativa pois trata-se de um processo mais dispendioso, em termos de equipamentos necessários e consumíveis, e é também mais perigoso devido às elevadas pressões atingidas.

Na Tabela 1 encontram-se algumas propriedades dos aerogéis resultantes da presente invenção. A massa volúmica dos materiais resultantes, ~85 kg m~3, é consideravelmente baixa para materiais obtidos por uma secagem à pressão ambiente. A condutividade térmica medida à temperatura e pressão ambiente é de cerca de 32 mW irr1 K_1, segundo as normas EN12667 e ISO8302. Ambos os componentes usados nesta invenção, o aerogel e o feltro, são baseados em sílica o que garante integridade estrutural do aerogel compósito final. Esta integridade do material final, que pode ser confirmada pela micrografia SEM da Figura 2, leva a que não se observe significativa libertação de partículas, ao contrário do que ocorre em alguns dos aerogéis presentes no mercado. Adicionalmente, devido ao carácter inorgânico, quer do aerogel quer do feltro, o material obtido nesta invenção pode ser aplicado até pelo menos 3502C. Isto é confirmado por resultados de termogravimetria (Figura 3) , pois a percentagem de perda de massa da amostra até 3802C é inferior a 5%. Por forma a avaliar também a resistência deste material em temperaturas criogénicas colocou-se o aerogel compósito em contacto com azoto liquido e confirmou-se que após evaporação de todo o liquido criogénico derramado sobre o aerogel este não perdeu a sua flexibilidade. Na Figura 4 apresentam-se as curvas de tensão vs. deformação do aerogel compósito antes e depois de imerso em azoto liquido. 0 módulo de elasticidade em flexão antes e após imersão em azoto liquido é da ordem de 58,5 ± 3,3 e 40,1 ± 4,1 kPa, respectivamente. Por outro lado, quando o painel de aerogel é enrolado e desenrolado sobre si mesmo, com um raio de curvatura até 2-3 vezes a espessura do painel, a flexibilidade do material mantém-se. Outra propriedade relevante para muitas aplicações é a hidrofobicidade, a qual impede a degradação do material por contacto com água ou humidade do ar. O aerogel flexível resultante desta invenção possui um ângulo de contacto de ~1402, confirmando-se assim o seu elevado carácter hidrofóbico.

As dimensões de um painel estão limitadas pelo comprimento e largura do tabuleiro. O aumento da espessura não reduz de forma significativa a flexibilidade do material, mas aumento o tempo de secagem.

19 de Novembro de 2013

Claims (1)

1. Reivindicações Ia. Um método para produzir painéis de aerogel compósito de silica de grandes dimensões, flexíveis, de elevado retorno elástico, mecanicamente estáveis e baixa libertação de partículas, contendo uma mistura de fibras, sendo o método caracterizado por: escolha de um molde contendo uma solução precursora de aerogel e uma determinada quantidade de fibras; processamento da mistura para formar um gel; extracção do fluido do gel; remoção do aerogel do molde; processamento e acondicionamento do aerogel compósito. 2a. Método de acordo com a reivindicação n° 1, caracterizado por o molde poder ser um tabuleiro plano, flexivel ou rigido, ou possuir um formato mais complexo e tamanho arbitrário. 3a. Método de acordo com a reivindicação n° 1, caracterizado por uma solução precursora à base de metiltrimetoxisilano ou metiltrietoxisilano. 4a. Método de acordo com as reivindicações n° 1 e 3, caracterizado por a adição de uma percentagem de tetraalquilo ortosilicatos inferior a 10%, contabilizada em termos do número de moles de silicio em solução. 5a. Método de acordo com a reivindicação n° 1, caracterizado por a adição inferior a 15% em massa de fibras, sendo estas parte constituinte de feltros de baixa densidade, elevada resistência térmica, grande resistência mecânica e condutividade térmica muito baixa. 6a. Método de acordo com as reivindicações n° 1 e 5, caracterizado por a estrutura dos feltros poder ser cosida para produzir estruturas maiores ou mais espessas. 7a. Método de acordo com as reivindicações n° 1, 5 e 6, caracterizado por o fio de coser ser uma estrutura submilimétrica multifilar de silica, com os fios retorcidos uns sobre os outros. 8a. Método de acordo com as reivindicações n° 1 e 2, caracterizado por o painel de aerogel compósito poder ser desenformado uniformemente por acção de uma ligeira força de torsão sobre o molde. 9a. Método de acordo com a reivindicação n° 1, caracterizado por os feltros de baixa densidade serem dispostos uniformemente e esticados no interior do molde, assegurando homogeneidade e estabilidade dimensional do painel de aerogel compósito durante a secagem. 10a. Método de acordo com a reivindicação n° 1, caracterizado por o painel de aerogel compósito ser dobrado, enrolado e desenrolado sobre si mesmo, dentro ou fora do molde, com um raio de curvatura até 2-3 vezes a espessura do painel. 11a. Método de acordo com as reivindicações n° 1 e 10, caracterizado por o painel de aerogel compósito ser inserido num laminador uniforme e sujeitado a compressão não inferior a 1 kPa para ser cortado, sendo subsequentemente enrolado depois de cessada a compressão e a espessura do painel regressar ao valor inicial. 12a. Método de acordo com as reivindicações n° 1 e 11, caracterizado por o painel ser sujeitado a agitação transversal, da qual resulta libertação de uma reduzida quantidade de partículas, as quais são recolhidas no tabuleiro e canalizadas para reciclagem como pó de aerogel. 13a. Método de acordo com as reivindicações n° 1 e 10, caracterizado por o painel de aerogel compósito ser submetido a temperaturas criogénicas ou até pelo menos 350°C e posteriormente dobrado, enrolado e desenrolado sobre si mesmo. 19 de Novembro de 2013